一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括靜電探針、支撐件、傳感器、處理器、脈沖發(fā)生器和直流穩(wěn)壓電源；靜電探針由支撐件固定呈懸掛狀態(tài)，脈沖發(fā)生器的一端接地，另一端連接支撐件，傳感器的一端連接支撐件，另一端連接處理器，直流穩(wěn)壓電源的一端接地。測(cè)試時(shí)，沉積于襯底上的待測(cè)相變材料置于靜電探針下方；直流穩(wěn)壓電源的另一端連接襯底，提供偏置電壓Vbias以改變襯底電位。本發(fā)明能檢測(cè)不同尺度相變材料的相態(tài)，尤其是納米尺度相變材料的相態(tài)，還能直觀地反映出相變材料相態(tài)在空間分布的特點(diǎn)。此外，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、無(wú)需制樣且為非破壞性測(cè)試，適用范圍廣。
【專利說(shuō)明】一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于相變存儲(chǔ)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自上世紀(jì)五六十年代Ovshinsky博士研究發(fā)現(xiàn)Te基材料獨(dú)特的相變特性開始，相變隨機(jī)存儲(chǔ)(PCRAM)已經(jīng)得到Intel、IBM、美光等各大知名公司的極大關(guān)注。PCRAM利用相變材料在晶相(低阻態(tài))和非晶相(高阻態(tài))的可逆轉(zhuǎn)變來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和擦寫操作，其中晶相和非晶相分別對(duì)應(yīng)于相變材料不同原子排布結(jié)構(gòu)時(shí)的“相態(tài)”。基于這種獨(dú)特的電阻式存儲(chǔ)原理，PCRAM具有與CMOS工藝兼容、體積小、功耗小、驅(qū)動(dòng)電壓低、讀寫速度快、非易失等優(yōu)點(diǎn)，并且可被制成多級(jí)存儲(chǔ)器，能在相對(duì)極端條件下正常使用。另外，還具備抗輻射、抗震動(dòng)的特點(diǎn)，這使得其不僅在消費(fèi)類電子具有巨大潛質(zhì)，在軍事航空航天領(lǐng)域也將發(fā)揮巨大作用。因此，PCRAM被認(rèn)為是最有可能取代FLASH和DRAM成為下一代主流的存儲(chǔ)器技術(shù)。
[0003]為了滿足大容量存儲(chǔ)的需求，隨著存儲(chǔ)密度的不斷提升，相變材料的尺寸逐漸減小到納米尺度。盡管目前相變存儲(chǔ)器僅能使用65nm/90nm工藝來(lái)生產(chǎn)，但在實(shí)驗(yàn)室中研究人員不斷地突破更小的尺寸，以期獲得相變極限，具體包括將功能薄膜材料厚度減薄至納米尺寸，甚至隨著技術(shù)的進(jìn)步制備出納米線或者納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)的相變功能材料，即材料的長(zhǎng)寬高三維尺寸都在納米尺度內(nèi)。
[0004]在減小相變材料的尺寸后，一個(gè)至關(guān)重要的問題是判斷小尺寸的相變功能材料是否發(fā)生了相變，即是否有明顯的兩態(tài)的變化。目前，主要通過表征材料光學(xué)(反射率)或電學(xué)(電阻)性質(zhì)的差異以及X射線衍射(XRD)測(cè)試材料的結(jié)構(gòu)來(lái)判斷相變材料的相態(tài)。但當(dāng)材料尺寸達(dá)到納米尺度時(shí)，這些方法存在如下缺陷:(1)采用反射率變化判斷相態(tài)較難突破光學(xué)衍射極限而達(dá)到所需的納米級(jí)別。根據(jù)公式sine =1.22 λ/D，其中Θ是角分辨率，λ是波長(zhǎng)，D是光圈直徑，當(dāng)Θ很小時(shí)，sin0約等于d/f，其中d是最小分辨尺寸，f是焦距，如果想利用此原理，就需要引入近場(chǎng)理論，增加了光路復(fù)雜度和成本，并且總會(huì)在功能材料體積減小時(shí)存在極限；(2)利用電阻變化來(lái)表征相態(tài)需要制備合適的電極，由于功能材料的減小，與之對(duì)應(yīng)的測(cè)試電極線寬也相應(yīng)減小，增大了電極設(shè)計(jì)和制備工藝的難度，并且電極的制備會(huì)破壞相變材料的本征屬性，導(dǎo)致測(cè)試誤差；(3)采用XRD表征相態(tài)很難對(duì)給定納米尺度區(qū)域進(jìn)行精確定位，并且一般小尺寸相變材料的衍射峰強(qiáng)極弱甚至根本無(wú)法從背景噪聲中分辨。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及方法，能檢測(cè)不同尺度相變材料的相態(tài)，尤其是納米尺度相變材料的相態(tài)，還能直觀地反映出相變材料相態(tài)在空間分布的特點(diǎn)。此外，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、無(wú)需制樣且為非破壞性測(cè)試，適用范圍廣。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括靜電探針、支撐件、傳感器、處理器、脈沖發(fā)生器和直流穩(wěn)壓電源；所述靜電探針由所述支撐件固定呈懸掛狀態(tài)，所述脈沖發(fā)生器的一端接地，另一端連接所述支撐件，所述傳感器的一端連接所述支撐件，另一端連接所述處理器，所述直流穩(wěn)壓電源的一端接地；
[0007]測(cè)試時(shí)，沉積于襯底上的待測(cè)相變材料置于所述靜電探針的下方；所述直流穩(wěn)壓電源的另一端連接襯底，提供偏置電壓Vbias以改變襯底的電位；所述脈沖發(fā)生器通過所述支撐件在所述靜電探針和襯底間施加一定頻率的交流電Va。，使所述靜電探針在靜電引力的作用下促使所述支撐件發(fā)生形變；所述傳感器感知所述支撐件的形變，并將形變信號(hào)輸出到所述處理器；所述處理器根據(jù)形變信號(hào)計(jì)算靜電引力F，得到偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，由此求得待測(cè)相變材料的功函數(shù)，再通過功函數(shù)比對(duì),判斷待測(cè)相變材料的相態(tài)。
[0008]優(yōu)選地，根據(jù)所述偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到F=O時(shí)的偏置電壓Vb，計(jì)算得到待測(cè)相變材料的功函數(shù)WS=WP+VB,其中，Wp為所述靜電探針的功函數(shù)；令待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù)為Wsl,處于晶相時(shí)的功函數(shù)為Ws2,若Ws=Wsl,則判斷待測(cè)相變材料處于非晶相；若Ws=Ws2,則判斷待測(cè)相變材料處于晶相；若Ws介于Wsl和Ws2之間，則判斷待測(cè)相變材料處于部分結(jié)晶相。
[0009]優(yōu)選地，所述偏置電壓Vbias從-1eV變化至+leV，步長(zhǎng)為0.005?0.5eV。
[0010]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種相態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0011](I)將靜電探針用支撐件固定懸于沉積于襯底上的相態(tài)未知的待測(cè)相變材料上方；
[0012](2)對(duì)襯底施加偏置電壓Vbias,并通過支撐件在靜電探針和襯底間施加一定頻率的交流電va。，改變Vbias的值；
[0013](3)對(duì)應(yīng)每一個(gè)Vbias，根據(jù)支撐件的形變信號(hào)，計(jì)算靜電探針?biāo)艿撵o電引力F，得至IJ偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線；
[0014](4)根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到靜電引力F=O對(duì)應(yīng)的偏置電壓Vb，計(jì)算得到該相態(tài)未知的待測(cè)相變材料的功函數(shù)WS=WP+VB，其中，Wp為靜電探針的功函數(shù)；
[0015](5)將該相態(tài)未知的待測(cè)相變材料的功函數(shù)Ws與該待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù)Wsl和該待測(cè)相變材料處于晶相時(shí)的功函數(shù)Ws2進(jìn)行比較，如果Ws=Wsl,則待測(cè)相變材料處于非晶相；如果Ws=Ws2,則待測(cè)相變材料處于晶相；如果Ws介于Wsl和Ws2之間，則待測(cè)相變材料處于部分結(jié)晶相。
[0016]優(yōu)選地，所述偏置電壓Vbias從-1eV變化至+leV，步長(zhǎng)為0.005?0.5eV。
[0017]優(yōu)選地，所述待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù)Wsl通過如下方法得到:在襯底上沉積待測(cè)相變材料，得到處于非晶相的待測(cè)相變材料；將靜電探針用支撐件固定懸于非晶相的待測(cè)相變材料上方；執(zhí)行所述步驟(2)至(3)，根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到靜電引力F=O對(duì)應(yīng)的偏置電壓Vbi，計(jì)算得到該待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù) Wsl=Wp+VB1。
[0018]優(yōu)選地，所述待測(cè)相變材料處于晶相時(shí)的功函數(shù)Ws2通過如下方法得到:
[0019](Al)在襯底上沉積待測(cè)相變材料；
[0020](A2)對(duì)待測(cè)相變材料進(jìn)行退火處理；[0021](A3)將靜電探針用支撐件固定懸于退火處理后的待測(cè)相變材料上方，與待測(cè)相變材料表面相互靠近但不接觸，執(zhí)行所述步驟(2)至(3)，根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到靜電引力F=O對(duì)應(yīng)的偏置電壓Vb2 ；
[0022](A4)重復(fù)執(zhí)行步驟(A2)和(A3)，當(dāng)Vb2不隨退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)改變時(shí)，判斷待測(cè)相變材料完全晶化，計(jì)算得到待測(cè)相變材料處于晶相時(shí)的功函數(shù)Ws2=wp+VB2。
[0023]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于相變材料尺寸減小帶來(lái)的相態(tài)檢測(cè)困難的問題，通過測(cè)試相變材料的表面功函數(shù)來(lái)檢測(cè)材料的相態(tài)，能夠檢測(cè)不同尺度，尤其是納米尺度相變材料的相態(tài)，并直觀地反映出相變材料相態(tài)在空間分布的特點(diǎn)。此外，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、無(wú)需制樣，由于靜電探針僅在樣品表面掃描，對(duì)樣品無(wú)污染，無(wú)損傷，為非破壞性測(cè)試，適用范圍廣。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的GST相變材料處于晶相和非晶相時(shí)的偏壓-靜電引力關(guān)系曲線；
[0026]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的摻Ag的GeTe相變材料的零點(diǎn)偏壓的空間分布圖。
[0027]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:11_襯底，12-待測(cè)相變材料，13-靜電探針，14-支撐件，15-傳感器，16-處理器，17-脈沖發(fā)生器，18-直流穩(wěn)壓電源。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]相態(tài)是指對(duì)應(yīng)于不同原子結(jié)構(gòu)排布的宏觀材料體系，而相變是指材料從一種相態(tài)向另一種相態(tài)的轉(zhuǎn)變，包括非晶相到晶相、晶相到非晶相以及一種晶相到另一種晶相之間的轉(zhuǎn)變。
[0030]由于相變材料的功函數(shù)不僅與費(fèi)米能級(jí)在禁帶中的位置有關(guān)，還受到表面勢(shì)壘的影響。當(dāng)相變材料處于不同相態(tài)時(shí)，其表面原子的排布規(guī)律(懸掛鍵、缺陷等)不同導(dǎo)致表面勢(shì)不同，因此，不同相態(tài)的材料對(duì)應(yīng)的功函數(shù)也不同。本發(fā)明基于靜電引力來(lái)測(cè)試相變材料的表面功函數(shù)，通過功函數(shù)的差異判斷待測(cè)相變材料的相態(tài)，進(jìn)而判斷是否發(fā)生相變，能夠檢測(cè)不同尺度，尤其是納米尺度相變材料的相態(tài)。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明的相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括:靜電探針13、支撐件14、傳感器15、處理器16、脈沖發(fā)生器17和直流穩(wěn)壓電源18。
[0032]待測(cè)相變材料12沉積于襯底11上,支撐件14為導(dǎo)體材料,靜電探針13由支撐件14固定懸于待測(cè)相變材料12上方，與待測(cè)相變材料12的表面相互靠近但不接觸。直流穩(wěn)壓電源18的一端接地，另一端連接襯底11，用于通過提供偏置電壓Vbias改變襯底11的電位，偏置電壓Vbias從-1eV變化至+leV，步長(zhǎng)為0.005?0.5eV。脈沖發(fā)生器17的一端接地，另一端連接支撐件14，用于通過支撐件14在靜電探針13和襯底11間施加一定頻率的交流電Va。，使靜電探針13在靜電引力的作用下促使支撐件14發(fā)生形變。傳感器15的一端連接支撐件14，另一端連接處理器16，用于感知支撐件14的形變，并將形變信號(hào)輸出到處理器16。處理器16用于根據(jù)形變信號(hào)計(jì)算靜電引力F，得到偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，求得待測(cè)相變材料12的功函數(shù)，再通過功函數(shù)比對(duì)，判斷待測(cè)相變材料12的相態(tài)。
[0033]下面進(jìn)一步介紹本發(fā)明實(shí)施例的相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理。
[0034]脈沖發(fā)生器17通過支撐件14在靜電探針13和襯底11間施加一定頻率的交流電Va。，使靜電探針13受到靜電引力F的作用:
【權(quán)利要求】
1.一種相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括靜電探針(13)、支撐件(14)、傳感器(15)、處理器(16)、脈沖發(fā)生器(17)和直流穩(wěn)壓電源(18)； 所述靜電探針(13)由所述支撐件(14)固定呈懸掛狀態(tài)，所述脈沖發(fā)生器(17)的一端接地，另一端連接所述支撐件(14)，所述傳感器(15)的一端連接所述支撐件(14)，另一端連接所述處理器(16)，所述直流穩(wěn)壓電源(18)的一端接地； 測(cè)試時(shí)，沉積于襯底(11)上的待測(cè)相變材料(12)置于所述靜電探針(13)的下方；所述直流穩(wěn)壓電源(18)的另一端連接襯底(11)，提供偏置電壓Vbias以改變襯底(11)的電位；所述脈沖發(fā)生器(17)通過所述支撐件(14)在所述靜電探針(13)和襯底(11)間施加一定頻率的交流電Va。，使所述靜電探針(13)在靜電引力的作用下促使所述支撐件(14)發(fā)生形變；所述傳感器(15)感知所述支撐件(14)的形變，并將形變信號(hào)輸出到所述處理器(16);所述處理器(16)根據(jù)形變信號(hào)計(jì)算靜電引力F，得到偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，由此求得待測(cè)相變材料(12)的功函數(shù)，再通過功函數(shù)比對(duì)，判斷待測(cè)相變材料(12)的相態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)所述偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到F=O時(shí)的偏置電壓VB，計(jì)算得到待測(cè)相變材料(12)的功函數(shù)胃^胃廣乂卩其中，Wp為所述靜電探針(13)的功函數(shù)；令待測(cè)相變材料(12)處于非晶相時(shí)的功函數(shù)為Wsl，處于晶相時(shí)的功函數(shù)為Ws2，若Ws=Wsl，則判斷待測(cè)相變材料(12)處于非晶相；若Ws=Ws2,則判斷待測(cè)相變材料(12)處于晶相；若Ws介于Wsl和Ws2之間，則判斷待測(cè)相變材料(12)處于部分結(jié)晶相。
3.如權(quán)利要求1或2所述的相態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述偏置電壓Vbias從-1eV變化至+leV，步長(zhǎng)為0.005~0.5eV0
4.一種相態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將靜電探針用支撐件固定懸于沉積于襯底上的相態(tài)未知的待測(cè)相變材料上方；` (2)對(duì)襯底施加偏置電壓Vbias，并通過支撐件在靜電探針和襯底間施加一定頻率的交流電Va。，改變Vbias的值； (3)對(duì)應(yīng)每一個(gè)Vbias，根據(jù)支撐件的形變信號(hào)，計(jì)算靜電探針?biāo)艿撵o電引力F，得到偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線； (4)根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到靜電引力F=O對(duì)應(yīng)的偏置電壓Vb，計(jì)算得到該相態(tài)未知的待測(cè)相變材料的功函數(shù)WS=WP+VB,其中，Wp為靜電探針的功函數(shù)； (5)將該相態(tài)未知的待測(cè)相變材料的功函數(shù)Ws與該待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù)Wsl和該待測(cè)相變材料處于晶相時(shí)的功函數(shù)Ws2進(jìn)行比較，如果Ws=Wsl,則待測(cè)相變材料處于非晶相；如果Ws=Ws2,則待測(cè)相變材料處于晶相；如果Ws介于Wsl和Ws2之間，則待測(cè)相變材料處于部分結(jié)晶相。
5.如權(quán)利要求4所述的相態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，所述偏置電壓Vbias從-1eV變化至+IeV,步長(zhǎng)為 0.005 ~0.5eV0
6.如權(quán)利要求4或5所述的相態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，所述待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù)Wsl通過如下方法得到:在襯底上沉積待測(cè)相變材料，得到處于非晶相的待測(cè)相變材料；將靜電探針用支撐件固定懸于非晶相的待測(cè)相變材料上方；執(zhí)行所述步驟(2)至(3)，根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到靜電引力F=O對(duì)應(yīng)的偏置電壓VB1，計(jì)算得到該待測(cè)相變材料處于非晶相時(shí)的功函數(shù)Wsl=wp+VB1。
7.如權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的相態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，所述待測(cè)相變材料處于晶相時(shí)的功函數(shù)Ws2通過如下方法得到: (Al)在襯底上沉積待測(cè)相變材料； (A2)對(duì)待測(cè)相變材料進(jìn)行退火處理； (A3)將靜電探針用支撐件固定懸于退火處理后的待測(cè)相變材料上方，與待測(cè)相變材料表面相互靠近但不接觸，執(zhí)行所述步驟(2)至(3)，根據(jù)偏置電壓Vbias和靜電引力F的關(guān)系曲線，得到靜電引力F=O對(duì)應(yīng)的偏置電壓Vb2 ； (A4)重復(fù)執(zhí)行步驟(A2)和(A3)，當(dāng)Vb2不隨退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)改變時(shí)，判斷待測(cè)相變材料完全晶化，計(jì)算`得到待測(cè)相變材料處于晶相時(shí)的功函數(shù)Ws2=Wp+VB2。
【文檔編號(hào)】G01N27/00GK103852491SQ201410104141
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】童浩, 繆向水 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)